アルゴノート (タンパク質)
アルゴノート（Argonaute）タンパク質は、細胞内で遺伝子発現を抑制するRNAサイレンシング経路において、極めて重要な役割を担う分子ファミリーです。これらのタンパク質は、RNA誘導サイレンシング複合体（RISC）の必須構成要素として機能します。RISCは、RNA干渉（RNAi）と呼ばれる遺伝子サイレンシング現象の実行部隊です。
アルゴノートタンパク質は、マイクロRNA（miRNA）、低分子干渉RNA（siRNA）、Piwi結合RNA（piRNA）といった様々な種類の低分子非コードRNAと特異的に結合します。結合した低分子RNAは、その配列情報（標的mRNAとの塩基対形成）に基づいてアルゴノートタンパク質を特定の標的へと誘導します。これにより、標的mRNAの切断や、そこからのタンパク質合成（翻訳）の抑制が引き起こされ、結果として遺伝子発現が効果的にサイレンシングされます。
このタンパク質ファミリーの名前は、シロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）のAGO1タンパク質における突然変異によって生じる表現型が、遠洋性タコであるアオイガイ（Argonauta argo）の奇妙な外観に例えられたことに由来するとされています。
RNA干渉（RNAi）は、RNA分子が特定の遺伝子の働きを抑える生物学的プロセスです。これは、標的となるmRNA分子を直接分解したり、タンパク質への翻訳を阻害することで実現されます。RNAiは、ウイルス由来の二本鎖RNAのような細胞にとって異質な核酸配列から細胞を守る防御機構としても機能します。動物を含む多くの真核生物にこの経路が存在し、通常はDicerという酵素によって開始されます。Dicerは、長い二本鎖RNA分子を、約20ヌクレオチド長の短い二本鎖断片であるsiRNAに切断します。
この短い二本鎖RNAは、その後、パッセンジャー鎖とガイド鎖という2つの異なる一本鎖RNAに分かれます。パッセンジャー鎖は一般的に分解される一方、ガイド鎖はRISCに組み込まれます。RNAiで最もよく研究されている結果の一つが、転写後遺伝子サイレンシングです。これは、RISCに組み込まれたガイド鎖が、標的mRNA分子内の相補的な配列と結合することで、RISCの中核であるアルゴノートタンパク質による標的mRNAの切断を誘導することによって起こります。
アルゴノートタンパク質は、RISCの実際の活性を持つ部分であり、結合したsiRNAのガイド鎖に相補的な標的mRNA鎖を切断する役割を果たします。Dicerによって二本鎖siRNAが生成されると、理論的には2つの一本鎖RNAができますが、RISCに組み込まれて標的認識に利用されるのはガイド鎖のみです。パッセンジャー鎖はRISCの過程で分解されます。アルゴノートが低分子RNAと結合した後、PIWIドメインの持つ酵素活性により、多くの場合、siRNAのパッセンジャー鎖が切断されることで一本鎖化が促進されます。
二本鎖RNAからの鎖の分離とアルゴノートタンパク質への組み込みは、「非対称ルール」として知られる現象に従い、二重鎖の5'末端における水素結合の強さによって影響を受けます。また、miRNAの場合、中間的な二重鎖の相補性の程度によって、異なるタイプのアルゴノートタンパク質に結合する傾向が決まります。
動物細胞において、miRNAと結合したアルゴノートは、標的mRNAの3'非翻訳領域に結合し、様々なメカニズムでタンパク質合成を妨害します。標的mRNAにアルゴノート複合体が動員されると、mRNA自体の分解を誘発することがあります。さらに、アルゴノート-miRNA複合体は、mRNAの5'末端での機能的なリボソームの形成を阻害することもあります。この場合、複合体が翻訳開始因子と競合したり、リボソームの組み立てを直接抑止したりします。また、ペプチド鎖の伸長を遅らせる細胞因子を集めることで、タンパク質産生量を調整する可能性も示されています。
植物では、標的mRNAを鋳型としてde novo（新たに）二本鎖RNAが生成されることがあります。この二本鎖RNAから、未知のRNase-III様酵素によって新たなsiRNAが生成され、触媒活性を持たないPIWIドメインを持つアルゴノートタンパク質（例えばAGO4）に組み込まれることで、転写レベルでの遺伝子サイレンシングなど、別の様式での特異的遺伝子制御が誘導される可能性が示唆されています。
アルゴノート（AGO）タンパク質をコードする遺伝子ファミリーは、N末端（N）、Linker-1（L1）、PAZ、Linker-2（L2）、Mid、およびC末端のPIWIという、6つの特徴的なドメインを持っています。PAZドメインは、このドメインが最初に同定されたショウジョウバエのpiwi、シロイヌナズナのargonaute-1、そしてzwille（argonaute-10）の遺伝子名から名付けられたものです。PAZドメインは、siRNAやmiRNA、piRNAといった低分子RNAの一本鎖となった3'末端を、配列に関係なく認識・結合するモジュールとして機能します。
PIWIドメインは、その名前をショウジョウバエの同名タンパク質に由来しています。構造的にはRNA分解酵素であるRNaseHと類似しており、標的RNAの切断（スライシング）に不可欠な酵素活性を持っています。この活性部位には、アスパラギン酸-アスパラギン酸-グルタミン酸という3つの保存されたアミノ酸残基があり、触媒作用に必要な2価金属イオンを保持します。ただし、進化の過程でこの触媒に必須の保存された特徴を失ったアルゴノートファミリーメンバーも存在し、これらは切断活性を持ちません。ヒトのアルゴノートタンパク質では、PIWIモチーフは他のタンパク質との相互作用も仲介し、例えばDicer酵素との結合に関与します。
PIWIドメインとMidドメインの境界部分には、低分子RNAの5'リン酸基が結合することが知られており、これは機能的に重要です。Midドメイン内にはMCモチーフという構造があり、翻訳開始因子eIF4Eに見られるキャップ結合構造を模倣している可能性が示唆されましたが、後の研究でこれがmRNAのキャップ構造に直接結合するわけではないことが明らかになりました。
ヒトには8種類のアルゴノートファミリーメンバーが存在し、そのうちAGO1からAGO4が特に詳しく研究されています。これらのうち、低分子RNA（miRNAなど）をロードすることは複数のメンバーで可能ですが、mRNAを切断するエンドヌクレアーゼ活性、すなわち典型的なRNAiによる遺伝子サイレンシング活性は、AGO2に特有であることが知られています。PIWIドメインを含む他のドメインはファミリー内で比較的よく保存されていることから、AGO2のこの特異性は、N末端領域やPAZドメインとPIWIドメインをつなぐリンカー領域にあると推測されています。
植物においても、いくつかのアルゴノートファミリーメンバーが集中的に研究されています。例えば、AGO1は主にmiRNAに関連したRNA分解に関与し、植物の形態形成において中心的な役割を果たします。いくつかの生物では、エピジェネティックなサイレンシングにも不可欠です。AGO1自身の発現はmiRNAによって調節されています。一方、AGO4はRNAiによるRNA分解には関与しませんが、低分子RNA経路を介したDNAメチル化やその他のエピジェネティックな調節に関わることが知られています。AGO10は植物の発生に、AGO7は植物の発育タイミングに関与するなど、各メンバーが異なる機能を担っています。
アルゴノートとRNAiの経路は、疾患治療への応用も期待されています。膵臓がんのように特定の遺伝子が異常に発現している疾患に対し、RNAiの高い配列特異性は、変異した遺伝子配列を持つmRNAを標的とした治療法として有効である可能性があります。いくつかの非コードRNA、特にmiRNAがヒトのがんと関連していることが報告されており、miR-15aやmiR-16aなどは一部のがん患者で発現が低下しています。miRNAの機能は全てが解明されていませんが、細胞の増殖や死といった発生および代謝プロセスにおける調節因子として重要であることが明らかになっています。miRNAは、その標的mRNAとの相互作用や結合する補助因子に応じて、遺伝子発現を抑制したり促進したりする可能性があります。
多くのウイルスがRNAを遺伝物質とし、ライフサイクル中に二本鎖RNAを形成することが広く知られていることから、RNAiはウイルス感染に対する宿主の潜在的な防御機構として進化してきたと考えられています。Dicerによって生成されたsiRNAは、RISCを標的mRNAへと導き、配列特異的な転写後遺伝子サイレンシングを引き起こします。このプロセスは、カビ、植物、哺乳類など幅広い生物で見られます。低分子RNA（siRNAや一部のmiRNA）と標的転写物との間に完全またはそれに近い配列相補性がある場合、RISCのアルゴノートタンパク質は標的RNAの効率的な切断を仲介します。一方、相補性が低い場合は主に翻訳抑制が起こります。
興味深いことに、インフルエンザウイルスに感染させたマウスを用いた研究では、アルゴノート4（AGO4）を欠損させたマウスは、AGO1やAGO3を欠損させたマウスと比較して、体内のウイルス量やウイルス価が著しく高いことが示されました。このことから、哺乳類細胞においてAGO4の機能を特異的に促進することは、効果的な抗ウイルス戦略となる可能性が考えられます。
近年、原核生物由来のアルゴノートタンパク質をバイオテクノロジーへ応用する研究も進められています。2016年には、Natronobacterium gregoryiという細菌由来の原核生物アルゴノートタンパク質を用いたゲノム編集が報告されましたが、DNA誘導性ヌクレアーゼとしてのゲノム編集への適用可能性については後に疑問が呈され、主要な論文は撤回されています。しかし、2017年にはPyrococcus furiosusという超好熱性古細菌由来のアルゴノートタンパク質（PfAgo）が、ガイドDNAとともにin vitro（試験管内）でDNAを切断する人工制限酵素として利用できることが報告されました。PfAgoを用いた人工制限酵素は、酵素的なニッキング反応を利用してネイティブなDNA配列上にデータを保存する技術にも応用されています。
アルゴノートタンパク質は、マイクロRNA（miRNA）、低分子干渉RNA（siRNA）、Piwi結合RNA（piRNA）といった様々な種類の低分子非コードRNAと特異的に結合します。結合した低分子RNAは、その配列情報（標的mRNAとの塩基対形成）に基づいてアルゴノートタンパク質を特定の標的へと誘導します。これにより、標的mRNAの切断や、そこからのタンパク質合成（翻訳）の抑制が引き起こされ、結果として遺伝子発現が効果的にサイレンシングされます。
このタンパク質ファミリーの名前は、シロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）のAGO1タンパク質における突然変異によって生じる表現型が、遠洋性タコであるアオイガイ（Argonauta argo）の奇妙な外観に例えられたことに由来するとされています。
RNA干渉（RNAi）は、RNA分子が特定の遺伝子の働きを抑える生物学的プロセスです。これは、標的となるmRNA分子を直接分解したり、タンパク質への翻訳を阻害することで実現されます。RNAiは、ウイルス由来の二本鎖RNAのような細胞にとって異質な核酸配列から細胞を守る防御機構としても機能します。動物を含む多くの真核生物にこの経路が存在し、通常はDicerという酵素によって開始されます。Dicerは、長い二本鎖RNA分子を、約20ヌクレオチド長の短い二本鎖断片であるsiRNAに切断します。
この短い二本鎖RNAは、その後、パッセンジャー鎖とガイド鎖という2つの異なる一本鎖RNAに分かれます。パッセンジャー鎖は一般的に分解される一方、ガイド鎖はRISCに組み込まれます。RNAiで最もよく研究されている結果の一つが、転写後遺伝子サイレンシングです。これは、RISCに組み込まれたガイド鎖が、標的mRNA分子内の相補的な配列と結合することで、RISCの中核であるアルゴノートタンパク質による標的mRNAの切断を誘導することによって起こります。
アルゴノートタンパク質は、RISCの実際の活性を持つ部分であり、結合したsiRNAのガイド鎖に相補的な標的mRNA鎖を切断する役割を果たします。Dicerによって二本鎖siRNAが生成されると、理論的には2つの一本鎖RNAができますが、RISCに組み込まれて標的認識に利用されるのはガイド鎖のみです。パッセンジャー鎖はRISCの過程で分解されます。アルゴノートが低分子RNAと結合した後、PIWIドメインの持つ酵素活性により、多くの場合、siRNAのパッセンジャー鎖が切断されることで一本鎖化が促進されます。
二本鎖RNAからの鎖の分離とアルゴノートタンパク質への組み込みは、「非対称ルール」として知られる現象に従い、二重鎖の5'末端における水素結合の強さによって影響を受けます。また、miRNAの場合、中間的な二重鎖の相補性の程度によって、異なるタイプのアルゴノートタンパク質に結合する傾向が決まります。
動物細胞において、miRNAと結合したアルゴノートは、標的mRNAの3'非翻訳領域に結合し、様々なメカニズムでタンパク質合成を妨害します。標的mRNAにアルゴノート複合体が動員されると、mRNA自体の分解を誘発することがあります。さらに、アルゴノート-miRNA複合体は、mRNAの5'末端での機能的なリボソームの形成を阻害することもあります。この場合、複合体が翻訳開始因子と競合したり、リボソームの組み立てを直接抑止したりします。また、ペプチド鎖の伸長を遅らせる細胞因子を集めることで、タンパク質産生量を調整する可能性も示されています。
植物では、標的mRNAを鋳型としてde novo（新たに）二本鎖RNAが生成されることがあります。この二本鎖RNAから、未知のRNase-III様酵素によって新たなsiRNAが生成され、触媒活性を持たないPIWIドメインを持つアルゴノートタンパク質（例えばAGO4）に組み込まれることで、転写レベルでの遺伝子サイレンシングなど、別の様式での特異的遺伝子制御が誘導される可能性が示唆されています。
アルゴノート（AGO）タンパク質をコードする遺伝子ファミリーは、N末端（N）、Linker-1（L1）、PAZ、Linker-2（L2）、Mid、およびC末端のPIWIという、6つの特徴的なドメインを持っています。PAZドメインは、このドメインが最初に同定されたショウジョウバエのpiwi、シロイヌナズナのargonaute-1、そしてzwille（argonaute-10）の遺伝子名から名付けられたものです。PAZドメインは、siRNAやmiRNA、piRNAといった低分子RNAの一本鎖となった3'末端を、配列に関係なく認識・結合するモジュールとして機能します。
PIWIドメインは、その名前をショウジョウバエの同名タンパク質に由来しています。構造的にはRNA分解酵素であるRNaseHと類似しており、標的RNAの切断（スライシング）に不可欠な酵素活性を持っています。この活性部位には、アスパラギン酸-アスパラギン酸-グルタミン酸という3つの保存されたアミノ酸残基があり、触媒作用に必要な2価金属イオンを保持します。ただし、進化の過程でこの触媒に必須の保存された特徴を失ったアルゴノートファミリーメンバーも存在し、これらは切断活性を持ちません。ヒトのアルゴノートタンパク質では、PIWIモチーフは他のタンパク質との相互作用も仲介し、例えばDicer酵素との結合に関与します。
PIWIドメインとMidドメインの境界部分には、低分子RNAの5'リン酸基が結合することが知られており、これは機能的に重要です。Midドメイン内にはMCモチーフという構造があり、翻訳開始因子eIF4Eに見られるキャップ結合構造を模倣している可能性が示唆されましたが、後の研究でこれがmRNAのキャップ構造に直接結合するわけではないことが明らかになりました。
ヒトには8種類のアルゴノートファミリーメンバーが存在し、そのうちAGO1からAGO4が特に詳しく研究されています。これらのうち、低分子RNA（miRNAなど）をロードすることは複数のメンバーで可能ですが、mRNAを切断するエンドヌクレアーゼ活性、すなわち典型的なRNAiによる遺伝子サイレンシング活性は、AGO2に特有であることが知られています。PIWIドメインを含む他のドメインはファミリー内で比較的よく保存されていることから、AGO2のこの特異性は、N末端領域やPAZドメインとPIWIドメインをつなぐリンカー領域にあると推測されています。
植物においても、いくつかのアルゴノートファミリーメンバーが集中的に研究されています。例えば、AGO1は主にmiRNAに関連したRNA分解に関与し、植物の形態形成において中心的な役割を果たします。いくつかの生物では、エピジェネティックなサイレンシングにも不可欠です。AGO1自身の発現はmiRNAによって調節されています。一方、AGO4はRNAiによるRNA分解には関与しませんが、低分子RNA経路を介したDNAメチル化やその他のエピジェネティックな調節に関わることが知られています。AGO10は植物の発生に、AGO7は植物の発育タイミングに関与するなど、各メンバーが異なる機能を担っています。
アルゴノートとRNAiの経路は、疾患治療への応用も期待されています。膵臓がんのように特定の遺伝子が異常に発現している疾患に対し、RNAiの高い配列特異性は、変異した遺伝子配列を持つmRNAを標的とした治療法として有効である可能性があります。いくつかの非コードRNA、特にmiRNAがヒトのがんと関連していることが報告されており、miR-15aやmiR-16aなどは一部のがん患者で発現が低下しています。miRNAの機能は全てが解明されていませんが、細胞の増殖や死といった発生および代謝プロセスにおける調節因子として重要であることが明らかになっています。miRNAは、その標的mRNAとの相互作用や結合する補助因子に応じて、遺伝子発現を抑制したり促進したりする可能性があります。
多くのウイルスがRNAを遺伝物質とし、ライフサイクル中に二本鎖RNAを形成することが広く知られていることから、RNAiはウイルス感染に対する宿主の潜在的な防御機構として進化してきたと考えられています。Dicerによって生成されたsiRNAは、RISCを標的mRNAへと導き、配列特異的な転写後遺伝子サイレンシングを引き起こします。このプロセスは、カビ、植物、哺乳類など幅広い生物で見られます。低分子RNA（siRNAや一部のmiRNA）と標的転写物との間に完全またはそれに近い配列相補性がある場合、RISCのアルゴノートタンパク質は標的RNAの効率的な切断を仲介します。一方、相補性が低い場合は主に翻訳抑制が起こります。
興味深いことに、インフルエンザウイルスに感染させたマウスを用いた研究では、アルゴノート4（AGO4）を欠損させたマウスは、AGO1やAGO3を欠損させたマウスと比較して、体内のウイルス量やウイルス価が著しく高いことが示されました。このことから、哺乳類細胞においてAGO4の機能を特異的に促進することは、効果的な抗ウイルス戦略となる可能性が考えられます。
近年、原核生物由来のアルゴノートタンパク質をバイオテクノロジーへ応用する研究も進められています。2016年には、Natronobacterium gregoryiという細菌由来の原核生物アルゴノートタンパク質を用いたゲノム編集が報告されましたが、DNA誘導性ヌクレアーゼとしてのゲノム編集への適用可能性については後に疑問が呈され、主要な論文は撤回されています。しかし、2017年にはPyrococcus furiosusという超好熱性古細菌由来のアルゴノートタンパク質（PfAgo）が、ガイドDNAとともにin vitro（試験管内）でDNAを切断する人工制限酵素として利用できることが報告されました。PfAgoを用いた人工制限酵素は、酵素的なニッキング反応を利用してネイティブなDNA配列上にデータを保存する技術にも応用されています。
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